EP2171253A1 - Aktoreinheit für ein einspritzsystem einer brennkraftmaschine - Google Patents

Aktoreinheit für ein einspritzsystem einer brennkraftmaschine

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EP2171253A1
EP2171253A1 EP08775064A EP08775064A EP2171253A1 EP 2171253 A1 EP2171253 A1 EP 2171253A1 EP 08775064 A EP08775064 A EP 08775064A EP 08775064 A EP08775064 A EP 08775064A EP 2171253 A1 EP2171253 A1 EP 2171253A1
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EP
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actuator
thermal expansion
piezoelectric actuator
coefficient
aktorgehause
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Jürgen Dick
Hellmut Freudenberg
Richard Pirkl
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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M61/167—Means for compensating clearance or thermal expansion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
    • F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/42—Piezoelectric device making

Definitions

  • the invention relates to an actuator unit for an injection system of an internal combustion engine according to the features of the preamble of patent claim 1.
  • Actuator units with piezoelectric actuator elements are used, for example, for fuel injection in combustion chambers of internal combustion engines.
  • the piezoelectric actuator elements are preferably made of ceramic and are arranged m an Aktorgehause, which consists for example of Invar. Since the different materials of the Aktorgehauses and the piezoelectric actuator element have different values for the respective coefficient of thermal expansion, it may come to a change in the temperature acting on the actuator temperature to different long changes of the piezoelectric actuator element and the Aktorgehauses. As a result, the position of the piezoelectric actuator element can shift with respect to an actuator, so that the operative connection between the piezoelectric actuator element and the actuator is correspondingly influenced.
  • an actuator unit wherein the length changes, the gate element are due to under ⁇ Kunststoffaji coefficient of thermal expansion for the various materials of the actuator housing and piezoelectric AK- be compensated for by the fact that the actuator housing from an inner, middle, and outer sleeve. At least two sleeves have a different thermal expansion coefficient. The materials of the sleeves are selected such that due to the different thermal expansion coefficients of the individual sleeves, the different long changes on Aktorgehause and the piezoelectric actuator element are compensated.
  • the present invention is based the task now is to provide an alternative solution for an actuator unit, by means of the different expansions of the Langenaus- actuator housing and of the piezoelectric Aktore ⁇ lements may be as simple as possible, balanced.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that, starting from a known coefficient of thermal expansion of the piezoelectric actuator element, the different elongation of the Aktorgehauses and the piezoelectric actuator element in the axial direction is compensated by the fact that on the Aktorgehause a force equalization effecting fastener is arranged , Un ⁇ is terstutzt this by choice of Warmeausdehnungskoef- of the actuator housing and fastener coefficient such that one of the materials has a compared to the coefficient of thermal expansion of the piezoelectric actuator element larger thermal expansion coefficient and the other material has a smaller compared to the coefficient of thermal expansion of the piezoelectric actuator element coefficient of thermal expansion.
  • the fastening means is designed as a clamping nut and attached to a mounted on the actuator housing thread.
  • the arrangement of the clamping nut on Aktorgehause offers the advantage that the different Langenanderun- conditions of Aktorgehauses and the piezoelectric actuator element takes place without a change in shape of the actuator.
  • an inexpensive and fast post-processing of the actuator is possible.
  • a further advantageous embodiment of the invention is that a fine adjustment of the compensation of the different long extensions of Aktorgehauses and the piezoelectric actuator element takes place over the length of the engaging in the thread part of the clamping nut.
  • the length of the engaging in the thread of Aktorgehauses part of the clamping nut depends on the thermal expansion coefficient of the piezoelectric element.
  • the advantage therefore, is that by a sole change in length of the engaging in the thread of Aktorgehauses part of the clamping nut under ⁇ different long changes of the same material, which may occur, for example, in a delivery of the same material by different manufacturers, be avoided.
  • Figure 1 a sectional view of an actuator.
  • FIG. 1 shows a sectional view of an actuator unit.
  • the actuator unit 1 has a piezoelectric actuator element 13, which is arranged within an actuator housing 14.
  • the piezoelectric actuator element 13 is connected at one end to a head element 11 and at the opposite end to a bottom element 12.
  • a fastening element 10 is arranged on the actuator housing 14.
  • the piezoelectric actuator element 13 consists of ceramic, the Aktorgehause 14 made of nickel steel, and the fastener 10 made of steel.
  • the thermal expansion coefficient of the fixing member 10 is smaller than the thermal expansion coefficient of the piezoelectric actuator element 13, and simultaneously, the thermal expansion coefficient of the actuator housing 14 is larger than the furnishedausdehnungskoef ⁇ fizient of the piezoelectric actuator element 13.
  • the greater thermal expansion coefficients of the actuator housing 14 compared to the piezoelectric actuator 13 too large elongation of Aktorgehauses 14.
  • This compared to the piezoelectric actuator 13 too large elongation is compensated by the fastener 10 insofar as now due to the lower coefficient of thermal expansion of the fastener 10 against the axial direction of movement of Aktorgehauses 14th directed force acts on the Aktorgehause 14.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aktoreinheit für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine. Dabei wird die unterschiedliche Längenausdehnung bei einer Änderung der auf die Aktoreinheit wirkenden Temperatur des piezoelektrischen Aktorelements im Vergleich zum Aktorgehäuse aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizientenwerte dadurch ausgeglichen, dass an dem Aktorgehäuse ein Befestigungselement angeordnet ist. Dieses Befestigungselement wird aus einem anderen Material gefertigt als das Aktorgehäuse und bewirkt somit eine der Längenänderung des Aktorgehäuses entgegengerichtete Kraft.

Description

Beschreibung
Aktoreinheit für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine .
Die Erfindung betrifft eine Aktoreinheit für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Aktoreinheiten mit piezoelektrischen Aktorelementen werden beispielsweise zur Kraftstoffeinspritzung in Brennraumen von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Die piezoelektrischen Aktorelemente bestehen vorzugsweise aus Keramik und sind m einem Aktorgehause angeordnet, das beispielsweise aus Invar be- steht. Da die unterschiedlichen Materialien des Aktorgehauses und des piezoelektrischen Aktorelements unterschiedliche Werte für den jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, kann es bei einer Änderung der auf die Aktoreinheit wirkenden Temperatur zu unterschiedlichen Langenanderungen des piezoelektrischen Aktorelements und des Aktorgehauses kommen. Dadurch kann sich die Position des piezoelektrischen Aktorelements in Bezug auf ein Stellglied verschieben, so dass die Wirkverbindung zwischen dem piezoelektrischen Aktorelement und dem Stellglied entsprechend beemflusst wird.
In der Patentschrift DE 199 09 106 C2 wird eine Aktoreinheit offenbart, bei der Langenanderungen, die sich aufgrund unter¬ schiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten für die verschiedenen Materialien von Aktorgehause und piezoelektrischen Ak- torelement ergeben, dadurch ausgeglichen werden, dass sich das Aktorgehause aus einer inneren, mittleren und äußeren Hülse zusammensetzt. Dabei weisen mindestens zwei Hülsen einen unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Die Materialien der Hülsen werden derart ausgewählt, dass infolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Hülsen die unterschiedlichen Langenanderungen am Aktorgehause und am piezoelektrischen Aktorelement ausgeglichen werden . Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht nun darin, eine Alternativlosung für eine Aktoreinheit bereitzustellen, mittels der die unterschiedlichen Langenaus- dehnungen des Aktorgehauses und des piezoelektrischen Aktore¬ lements möglichst einfach ausgeglichen werden können.
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemaß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er- findung sind in den Unteranspruchen gekennzeichnet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass, ausgehend von einem bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Aktorelements, die unterschiedliche Langenausdehnung des Aktorgehauses und des piezoelektrischen Aktorelements in axialer Richtung dadurch ausgeglichen wird, dass an dem Aktorgehause ein einen Kraft- ausgleich bewirkendes Befestigungselement angeordnet ist. Un¬ terstutzt wird dies durch die Wahl der Warmeausdehnungskoef- fizienten des Aktorgehauses und des Befestigungselements derart, dass eines der Materialien einen im Vergleich zum Wärmeausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Aktorelements größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und das jeweils andere Material einen im Vergleich zum Wärmeausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Aktorelements kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Befestigungsmittel als Spannmutter ausgebildet und an einem an dem Aktorgehause angebrachten Gewinde befestigt ist. Die Anordnung der Spannmutter am Aktorgehause bietet insofern den Vorteil, dass die unterschiedlichen Langenanderun- gen des Aktorgehauses und des piezoelektrischen Aktorelements ohne eine Formänderung der Aktoreinheit erfolgt. Somit ist eine kostengünstige und schnelle Nachbearbeitung der Akto- remheit möglich. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass über die Lange des in das Gewinde eingreifenden Teils der Spannmutter eine Feinjustierung des Ausgleichs der unterschiedlichen Langenausdehnungen des Aktorgehauses und des piezoelektrischen Aktorelements erfolgt. Die Lange des in das Gewinde des Aktorgehauses eingreifenden Teils der Spannmutter hangt vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Elements ab. Der Vorteil besteht daher darin, dass durch eine alleinige Langenanderung des in das Gewinde des Aktorgehauses eingreifenden Teils der Spannmutter unter¬ schiedliche Langenanderungen des gleichen Materials, die z.B. bei einer Lieferung des gleichen Materials durch unterschiedliche Hersteller auftreten können, vermieden werden.
Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung naher erläutert. Dabei zeigt:
Figur 1: eine Schnittansicht einer Aktoreinheit.
Figur 1 zeigt eine Schnittansicht einer Aktoreinheit. Die Ak- toremheit 1 weist ein piezoelektrisches Aktorelement 13 auf, welches innerhalb eines Aktorgehauses 14 angeordnet ist. Das piezoelektrische Aktorelement 13 ist an einem Ende mit einem Kopfelement 11 und am gegenüberliegenden Ende mit einem Bo- denelement 12 verbunden. Ferner ist an dem Aktorgehause 14 ein Befestigungselement 10 angeordnet. Bei dem Befestigungselement 10 handelt es sich beispielsweise um eine Spannmut¬ ter. In einer vorteilhaften Ausfuhrungsform der Aktoreinheit besteht das piezoelektrische Aktorelement 13 aus Keramik, das Aktorgehause 14 aus Nickelstahl, und das Befestigungselement 10 aus Stahl.
Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten für die Materialien des piezoelektrischen Aktorelements 13 und des Aktorgehauses 14 erfolgt bei einer Temperaturanderung eine unterschiedliche Langenanderung des Aktorgehauses 14 und des piezoelektrischen Aktorelements 13 der Aktoreinheit in axialer Richtung. Die Position des piezoelektrischen Aktore- lements 13 kann sich dabei in Bezug auf ein in der Figur 1 nicht dargestelltes Stellglied verandern. Dadurch kann eine Wirkverbindung zwischen dem piezoelektrischen Aktorelement 13 und dem in der Figur 1 nicht dargestellten Stellglied so be- emflusst werden, dass z.B. die Steuerung der einzuspritzenden Kraftstoffmenge bei Einspritzventilen verschlechtert wird.
Die sich bei einer Temperaturanderung in der Aktoreinheit 1 zwischen dem piezoelektrischen Aktorelement 13 und Aktorge¬ hause 14 ergebende unterschiedliche Langenanderung wird durch das Befestigungselement 10 ausgeglichen. Ein Ausgleich der unterschiedlichen Langenausdehnung durch das Befestigungselement 10 erfolgt insofern, als durch das Befestigungselement 10 eine Kraftkomponente in axialer Richtung auf das Aktorgehause 14 entgegen der Bewegung des Aktorgehauses 14 ausgeübt wird. Da das Befestigungselement 10 beispielsweise als Spannmutter ausgebildet ist, ist die auf das Aktorgehause 14 aus¬ geübte Kraft umso großer, je langer der in das Gewinde des Aktorgehauses 14 eingreifende Teil der Spannmutter ist.
Das Befestigungselement 10, das Aktorgehause 14 und das pie¬ zoelektrische Aktorelement 13 werden vorzugsweise aus jeweils unterschiedlichen Materialien gefertigt, die einen unter- schiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Damit die unterschiedlichen Langenanderungen zwischen dem Aktorgehause 1 und dem Befestigungselement 10, in Bezug auf die Lan¬ genanderung des piezoelektrischen Aktorelements 13, ausgeglichen werden, sind die Materialien des Befestigungselements 10 und des Aktorgehauses 1 derart gewählt, dass eines der beiden Materialien einen im Vergleich zum Wärmeausdehnungskoeffizient des piezoelektrischen Aktorelements 13 größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten, und das jeweils andere Material einen im Vergleich zum Wärmeausdehnungskoeffizienten des piezo- elektrischen Aktorelements 13 kleineren Wärmeausdehnungskoef¬ fizienten aufweist. Im Folgenden wird der Fall betrachtet, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Befestigungselements 10 kleiner ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des piezoelektrischen Aktorelements 13, und gleichzeitig der Wärmeausdehnungskoeffizient des Aktorgehauses 14 großer ist als der Wärmeausdehnungskoef¬ fizient des piezoelektrischen Aktorelements 13. Somit erfolgt aufgrund des größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Aktorgehauses 14 eine im Vergleich zum piezoelektrischen Aktorelement 13 zu große Langenausdehnung des Aktorgehauses 14. Diese im Vergleich zum piezoelektrischen Aktorelement 13 zu große Langenausdehnung wird durch das Befestigungselement 10 insofern ausgeglichen, da nun aufgrund des geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Befestigungselements 10 eine entgegen der axialen Bewegungsrichtung des Aktorgehauses 14 gerichtet Kraft auf das Aktorgehause 14 wirkt.

Claims

Patentansprüche
1. Aktoreinheit mit einem ein piezoelektrisches Aktorelement umschließendes Aktorgehause, bei der das Aktorgehause und das piezoelektrische Aktorelement aus unterschiedlichen Materialien mit entsprechend unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, gefertigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Aktorgehause ein Befestigungselement angeordnet ist, dessen Material sich jeweils vom Material des Aktorgehauses und vom Material des piezoelektrischen Aktorelements bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten unterscheidet und dass die Materialien von Aktorgehause und Befestigungselement so gewählt sind, dass eines der Materialien einen im Vergleich zum Wärmeausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Aktorelements größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten und das jeweils andere Material einen im Vergleich zum Wärmeausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Aktorelements kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, und das Befes- tigungselement in ein am Aktorgehause angebrachtes Gewinde eingreift .
2. Aktoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement auf dem Aktorgehause axial ver- spannt ist.
3. Aktoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das Befestigungselement als Spannmutter ausgebildet ist.
4. Aktoreinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lange des in das Gewinde eingreifenden Teils der Spannmutter vom Wärmeausdehnungskoeffizient des piezoelektrischen Aktorelements abhangt.
5. Aktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement aus Stahl, das Aktorgehause aus Invar und das piezoelektrische Aktorelement aus Keramik besteht.
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